Необходимостта от използване на механична енергия в производството доведе до появата на топлинни двигатели.
Проектиране на топлинни двигатели
Топлинен двигател (топлинен двигател) - устройство за преобразуване на вътрешна енергия в механична енергия.
Всяка топлинна машина има нагревател, работен флуид (газ или пара), който в резултат на нагряване извършва работа (върти вала на турбината, движи буталото и т.н.) и хладилник. Фигурата по-долу показва диаграма на топлинен двигател.
Основи на топлинните двигатели
Всеки топлинен двигател функционира благодарение на двигателя. За да свърши работата, той трябва да има разлика в налягането от двете страни на буталото на двигателя или лопатките на турбината. Тази разлика се постига при всички топлинни двигатели, както следва: температурата на работния флуид се повишава със стотици или хиляди градуса в сравнение с температурата на околната среда. В газовите турбини и в двигателите с вътрешно горене (ДВГ) температурата се повишава поради факта, че горивото изгаря вътре в самия двигател. Хладилникът може да бъде атмосфера или устройство със специално предназначение за кондензиране и охлаждане на отработената пара.
Цикъл на Карно
Цикъл (кръгов процес) - набор от промени в състоянието на газа, в резултат на което той се връща в първоначалното си състояние (може да върши работа). През 1824 г. френският физик Сади Карно показа, че цикълът на топлинната машина (цикълът на Карно), който се състои от два процеса, изотермичен и адиабатен, е полезен. Фигурата по-долу показва графика на цикъла на Карно: 1-2 и 3-4 са изотерми, 2-3 и 4-1 са адиабати.
В съответствие със закона за запазване на енергията, работата на топлинните двигатели, извършвана от двигателя, е:
А=Q1– Q2, където Q1 е количеството топлина, получено от нагревателя, а Q2 е количеството топлина, подадено към хладилника. Ефективността на топлинния двигател е съотношението на работата A, извършена от двигателя, към количеството топлина, получено от нагревателя:
η=A/Q=(Q1– Q2)/Q1 =1 - Q2/Q1.
В работата "Мисли за движещата сила на огъня и за машините, които са способни да развият тази сила" (1824), Карно описва топлинен двигател, наречен "идеален топлинен двигател с идеален газ, който е работна течност." Благодарение на законите на термодинамиката е възможно да се изчисли ефективността (максимално възможна) на топлинен двигател с нагревател, който иматемпература T1 и хладилник с температура T2. Топлинният двигател на Carnot има ефективност:
ηmax=(T1 – T2)/T 1=1 – T2/T1.
Sadi Carnot доказа, че всяка топлинна машина е реална, която работи с нагревател с температура T1 и хладилник с температура T2 не е в състояние да има ефективност, която би надвишила ефективността на топлинен двигател (идеален).
Двигател с вътрешно горене (ICE)
Четиритактов двигател с вътрешно горене се състои от един или повече цилиндъра, бутало, колянов механизъм, всмукателни и изпускателни клапани, свещи.
Работният цикъл се състои от четири цикъла:
1) засмукване - горимата смес влиза в цилиндъра през клапана;
2) компресия - и двата клапана са затворени;
3) работен ход - експлозивно изгаряне на горимата смес;
4) отработени газове - изпускане на отработени газове в атмосферата.
Парова турбина
В парна турбина енергията се преобразува поради разликата в налягането на водната пара на входа и изхода.
Капацитетите на съвременните парни турбини достигат 1300 MW.
Някои технически параметри на 1200 MW парна турбина
- Налягане на пара (прясно) - 23,5 MPa.
- Температура на парата - 540 °C.
- Разход на пара от турбината - 3600 t/h.
- Скорост на ротора - 3000 об/мин.
- Налягането на парата в кондензатора е 3,6 kPa.
- Дължина на турбината - 47,9 m.
- Тегло на турбината - 1900 t.
Топлинният двигател се състои от въздушен компресор, горивна камера и газова турбина. Принцип на работа: въздухът се засмуква адиабатично в компресора, така че температурата му се повишава до 200 ° C или повече. След това сгъстеният въздух навлиза в горивната камера, където в същото време под високо налягане влиза течно гориво - керосин, фотоген, мазут. Когато горивото се изгаря, въздухът се нагрява до температура от 1500-2000 ° C, разширява се и скоростта му се увеличава. Въздухът се движи с висока скорост, а продуктите от горенето се изпращат към турбината. След прехода от етап към етап продуктите от горенето дават своята кинетична енергия на лопатките на турбината. Част от получената от турбината енергия отива за въртене на компресора; останалата част се изразходва за въртене на ротора на електрогенератора, витлото на самолет или морски кораб, колелата на автомобил.
Газова турбина може да се използва, освен за въртене на колелата на автомобил и витлата на самолет или кораб, като реактивен двигател. Въздухът и продуктите от горенето се изхвърлят от газовата турбина с висока скорост, така че реактивната тяга, която възниква по време на този процес, може да се използва за управление на въздушни (самолет) и водни (кораб) кораби и железопътен транспорт. Например самолетите Ан-24, Ан-124 („Руслан“), Ан-225 („Мечта“) имат турбовитлови двигатели. И така, "Мечта" със скорост на полет 700-850 км / ч е в състояние да транспортира 250 тона товар на разстояние от почти 15 000 км. Това е най-големият транспортен самолет в света.
Екологични проблеми на термичните двигатели
Оказва голямо влияние върху климатасъстоянието на атмосферата, по-специално наличието на въглероден диоксид и водна пара. По този начин промяната в съдържанието на въглероден диоксид води до увеличаване или намаляване на парниковия ефект, при който въглеродният диоксид частично абсорбира топлината, която Земята излъчва в космоса, задържа я в атмосферата и по този начин повишава температурата на повърхността и долните слоеве на атмосферата. Феноменът на парниковия ефект играе решаваща роля за смекчаването на климата. В негово отсъствие средната температура на планетата не би била +15 °С, а по-ниска с 30-40 °С.
Сега в света има повече от 300 милиона различни типа автомобили, които създават повече от половината от цялото замърсяване на въздуха.
За 1 година 150 милиона тона серни оксиди, 50 милиона тона азотен оксид, 50 милиона тона пепел, 200 милиона тона въглероден оксид, 3 милиона тона феон се изпускат в атмосферата от ТЕЦ в резултат на изгаряне на гориво.
Атмосферата съдържа озон, който предпазва целия живот на земята от вредното въздействие на ултравиолетовите лъчи. През 1982 г. Дж. Фарман, английски изследовател, открива озонова дупка над Антарктида – временно намаляване на съдържанието на озон в атмосферата. В момента на максимално развитие на озоновата дупка на 7 октомври 1987 г. количеството озон в нея намалява 2 пъти. Озоновата дупка вероятно е възникнала в резултат на антропогенни фактори, включително използването в промишлеността на хлорсъдържащи фреони (фреони), които разрушават озоновия слой. Въпреки това изследванията през 90-те години на миналия век не подкрепи тази гледна точка. Най-вероятно озонова дупкане е свързано с човешката дейност и е естествен процес. През 1992 г. озонова дупка е открита и над Арктика.
Ако целият атмосферен озон се събере в слой близо до земната повърхност и се сгъсти до плътността на въздуха при нормално атмосферно налягане и температура от 0 °C, тогава дебелината на озоновия щит ще бъде само 2-3 мм! Това е целият щит.
Малко история…
- юли 1769 г. Военният инженер Н. Дж. Куньо измина няколко десетки метра в парка Медон в Париж с „пожарна количка“, която беше оборудвана с двуцилиндров парен двигател.
- 1885. Карл Бенц, немски инженер, построява първия бензинов четиритактов триколесен автомобил Motorwagen с мощност 0,66 kW, за който получава патент на 29 януари 1886 г. Скоростта на автомобила достигна 15-18 км/ч.
- 1891. Готлиб Даймлер, немски изобретател, направил товарен камион с двигател 2,9 kW (4 конски сили) от лек автомобил. Максималната скорост на автомобила достига 10 км/ч, товароносимост в различните модели варира от 2 до 5 тона.
- 1899. Белгиецът C. Zhenatzi прекрачи 100-километровата скорост за първи път с колата си "James Contint" ("Винаги недоволен").
Примери за решаване на проблеми
Проблем 1. Идеалният топлинен двигател има температура на нагревателя от 2000 K и температура на хладилника от 100 °C. Определете ефективността.
Решение:
Формулата, която определя ефективността на топлинния двигател (максимум):
ŋ=T1-T2/T1.
ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.
Отговор: Ефективността на двигателя е 81%.
Задача 2. 200 kJ топлина са получени в топлинния двигател по време на изгарянето на горивото, а 120 kJ топлина се прехвърля към хладилника. Каква е ефективността на двигателя?
Решение:
Формулата за определяне на ефективността е както следва:
ŋ=Q1 - Q2 / Q1.
ŋ=(2 105 J - 1, 2 105 J) / 2 105 J=0, 4.
Отговор: Ефективността на топлинната машина е 40%.
Проблем 3. Каква е ефективността на топлинната машина, ако работният флуид, след като получи 1,6 MJ топлина от нагревателя, извърши 400 kJ работа? Колко топлина е прехвърлена в хладилника?
Решение:
Ефективността може да се определи по формулата
ŋ=A / Q1.
ŋ=0,4 106 J / 1,6 106 J=0,25.
Количеството топлина, прехвърлено към хладилника, може да се определи по формулата
Q1 - A=Q2.
Q2=1,6 106 J - 0,4 106 J=1,2 106J. Отговор: топлинната машина има ефективност от 25%; количеството топлина, прехвърлено към хладилника, е 1,2 10
6 J.
